遗传的染色体基础

1、遗传学遗传学 Genetics1/111问题问题u遗传物质的本质是什么？其载体的特性（形态特征遗传物质的本质是什么？其载体的特性（形态特征和运动规律）是什么？和运动规律）是什么？u遗传物质如何实现从亲代向子代的传递？遗传物质如何实现从亲代向子代的传递？ 2.1 染色体的形态和数目染色体的形态和数目 2.2 染色体的组型染色体的组型 2.3 染色体的结构染色体的结构 2.4 DNA和和RNA 2.5 DNA复制复制（自学）（自学） 2.6 染色体在细胞分裂中的行为染色体在细胞分裂中的行为第第2 2章章 遗传的染色体基础遗传的染色体基础 Sutton和和Boveri（萨顿和鲍维里，（萨顿和鲍维里，

2、1903）：）： 染色体学说染色体学说(the chromosome theory of heredity)。 Morgan（摩尔根，（摩尔根，1910）：）： 果蝇眼色的果蝇眼色的伴性遗传实验伴性遗传实验，进一步证实了遗传的染色，进一步证实了遗传的染色体学说：体学说：染色体是遗传物质或基因的载体。染色体是遗传物质或基因的载体。 了解染色体的了解染色体的形态结构形态结构及其及其运动规律运动规律是遗传学是遗传学研究的重要前提。研究的重要前提。染色体（染色体（chromosome）：在真核生物中，是一：在真核生物中，是一条经螺旋化压缩包裹在蛋白质基质中的条经螺旋化压缩包裹在蛋白质基质中的DNA分子

3、。当细胞处于分裂时期（尤其是中期），分子。当细胞处于分裂时期（尤其是中期），DNA逐渐螺旋化卷曲，呈现有固定形态的棒逐渐螺旋化卷曲，呈现有固定形态的棒状小体。状小体。 染色质（染色质（chromatin）：）：当细胞未分裂时，呈现当细胞未分裂时，呈现出伸展和高度分散状态、没有固定形态结构出伸展和高度分散状态、没有固定形态结构的染色体。的染色体。2.1 染色体的形态和数目染色体的形态和数目几乎所有生物细胞中均存在染色体几乎所有生物细胞中均存在染色体动动物物细细胞胞植植物物细细胞胞大肠杆菌细胞大肠杆菌细胞长臂（长臂（long arm，一般用，一般用q表示）表示）短臂（短臂（short arm，一般

4、用，一般用p表示）表示）着丝粒（着丝粒（centromere）次缢痕（次缢痕（secondary constriction）端粒（端粒（telomere）随体（随体（satellite）染色体的结构（扫描电镜图）染色体的结构（扫描电镜图）v典型的染色体可以分辨出典型的染色体可以分辨出:端粒端粒1染色体的形态染色体的形态(1) 着丝粒着丝粒l 着丝粒着丝粒是染色体在细胞分裂过程中与纺锤丝发是染色体在细胞分裂过程中与纺锤丝发生联结的区域，中期时着丝粒不发生收缩，呈生联结的区域，中期时着丝粒不发生收缩，呈现出缢缩状，因此也称为现出缢缩状，因此也称为初级缢痕初级缢痕或或主缢痕主缢痕。是是识别染色体识别

5、染色体的一个重要结构和分类依据。的一个重要结构和分类依据。 l 缺失着丝粒，便无法复制而最终丢失，因此着缺失着丝粒，便无法复制而最终丢失，因此着丝粒是染色体丝粒是染色体不可缺少的重要结构不可缺少的重要结构。着丝粒的模式图着丝粒的模式图着丝粒的荧光免疫反应着丝粒的荧光免疫反应根据根据着丝粒位置的不同着丝粒位置的不同可以把染色体分成可以把染色体分成2种种主要类型：主要类型：v中部着丝粒染色体（中部着丝粒染色体（metacentric chromosome） 着丝粒位于染色体中间或近中间，两臂长度相等或相近着丝粒位于染色体中间或近中间，两臂长度相等或相近。v近端着丝粒染色体（近端着丝粒染色体（acr

6、ocentric chromosome）： 着丝粒接近染色体一端，此类也包括遗传学上原来所指的着丝粒接近染色体一端，此类也包括遗传学上原来所指的端着端着丝粒染色体丝粒染色体（telocentric chromosome）。）。 中部着丝粒染色体中部着丝粒染色体近端着丝粒染色体近端着丝粒染色体（2） 随体、次缢痕及核仁组织区随体、次缢痕及核仁组织区 也是识别染色体的重要标志，具有种的特异性。也是识别染色体的重要标志，具有种的特异性。 随体随体为次缢痕区至染色体末端的部分，为某些为次缢痕区至染色体末端的部分，为某些染色体臂末端染色体臂末端的小球形物的小球形物，有如染色体的小卫星，故此得名。，有如染

7、色体的小卫星，故此得名。 在一个细胞的染色体中，通常还有一个在一个细胞的染色体中，通常还有一个不发生卷曲的染色很不发生卷曲的染色很淡的区域淡的区域，这个区域称为，这个区域称为次缢痕次缢痕。 核仁组织区（核仁组织区（NOR）是指是指负责组织和形成核仁的区域负责组织和形成核仁的区域，含有，含有rRNA基因，能合成基因，能合成rRNA。次缢痕与核仁组织区几乎可作次缢痕与核仁组织区几乎可作同义词同义词，只是使用上有差，只是使用上有差别：前者是指染色体上的一种结构，后者是指这一结构的别：前者是指染色体上的一种结构，后者是指这一结构的功能为组织和形成核仁。功能为组织和形成核仁。大麦（大麦（Hordeum

8、vulgare L.）根尖染色体（）根尖染色体（2n=14）(图示图示 随体和次缢痕随体和次缢痕)（3）端粒）端粒 端粒端粒为染色体末端一段特殊的为染色体末端一段特殊的DNA序列序列，是，是染染色体的自然末端，使色体的自然末端，使DNA序列终止，对染色体起序列终止，对染色体起封口作用。封口作用。从形态上，端粒几乎无法辨认，没有从形态上，端粒几乎无法辨认，没有任何明显的特征，但任何明显的特征，但它对维持一个染色体的完整它对维持一个染色体的完整性是十分重要的性是十分重要的。 端粒通常由富含端粒通常由富含鸟嘌呤核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（G）的短的串的短的串联重复序列组成。联重复序列组成。人类染色体的端粒

9、人类染色体的端粒( (图示亮点的区域图示亮点的区域) )8岁岁9岁岁由于端粒缺失而由于端粒缺失而引起的一种人类引起的一种人类疾病疾病u构成染色体的三个要素构成染色体的三个要素着丝粒：着丝粒：保证染色体的正确分离；保证染色体的正确分离；端粒：端粒：保证染色体的完整性；保证染色体的完整性；DNA复制起点：复制起点：负责启动负责启动DNA的复制。的复制。 2染色体的大小及数目染色体的大小及数目 （1）数目）数目 各种各种生物的染色体数目是恒定的生物的染色体数目是恒定的，在，在体细胞中体细胞中是成对是成对的，在的，在性细胞中只有一套性细胞中只有一套，分别用，分别用2n和和n表表示。如人类示。如人类2n

10、=46，n=23；水稻；水稻2n=24，n=12。 不同物种间染色体数目差异很大，不同物种间染色体数目差异很大，但染色体的数但染色体的数目并不总是与物种的个体大小和复杂性直接相关。目并不总是与物种的个体大小和复杂性直接相关。 图图a为玉米染色体，它比洋葱为玉米染色体，它比洋葱的染色体的染色体(图图b)要小很多要小很多心叶瓶尔小草的染色体（具有心叶瓶尔小草的染色体（具有631对二价体和对二价体和10个片段）个片段） 同源染色体同源染色体(homologous chromosome)(homologous chromosome)：大小及形态大小及形态相同，分别来源于父本和母本的一对染色体。相同，分

11、别来源于父本和母本的一对染色体。 非同源染色体非同源染色体(non-homologous chromosome)(non-homologous chromosome)：同一同一染色体群体中，形态结构不同的各对染色体之间互称染色体群体中，形态结构不同的各对染色体之间互称为非同源染色体。为非同源染色体。 性染色体性染色体(sex chromosome)(sex chromosome)：许多物种中，还存在一许多物种中，还存在一对形态和结构不同的同源染色体。对形态和结构不同的同源染色体。 常染色体常染色体(autosome(autosome) )：除性染色体之外的其它染色体。除性染色体之外的其它染色体

12、。每一对正常的同源染色体都具有相同的基因座。每一对正常的同源染色体都具有相同的基因座。几个概念：几个概念：（2）大小）大小 不同物种间染色体的大小差异很大不同物种间染色体的大小差异很大。染色体。染色体大小主要指长度，同一物种染色体宽度大致相同。大小主要指长度，同一物种染色体宽度大致相同。植物植物: 长约长约0.20-50、宽约、宽约0.20-2.00。 在高等植物中，一般单子叶植物的染色体较在高等植物中，一般单子叶植物的染色体较大，双子叶植物（如棉花）较小。大，双子叶植物（如棉花）较小。 人类染色体（人类染色体（2n=46）(箭头所指的为性染色体）箭头所指的为性染色体） 研究某一生物的染色体，

13、通常是把显微镜下拍摄研究某一生物的染色体，通常是把显微镜下拍摄的有丝分裂中期染色体图像剪下来，按一定的顺序的有丝分裂中期染色体图像剪下来，按一定的顺序(通常是按染色体长度由长到短通常是按染色体长度由长到短)将染色体依次排列将染色体依次排列起来。起来。 2.2 染色体的组型染色体的组型1. 核型核型 染色体组型或核型染色体组型或核型(karyotype)：指由体细胞中指由体细胞中全套染色体按形态特征（包括染色体长度、着丝点全套染色体按形态特征（包括染色体长度、着丝点位置、臂比、随体有无等）和大小顺序（染色体长位置、臂比、随体有无等）和大小顺序（染色体长度）排列构成的图形。度）排列构成的图形。 核

14、型的表述方法核型的表述方法是将染色体总数、性染色体组是将染色体总数、性染色体组成以及异常染色体情况均加以描述。如成以及异常染色体情况均加以描述。如46, XY；47，XY，+18等。等。 正常男性染色体核型图正常男性染色体核型图 唐氏综合症患儿及核型唐氏综合症患儿及核型47，XY，+21，表示一个男性患者，第表示一个男性患者，第21号染色体增加了一条，号染色体增加了一条，即临床上所谓的即临床上所谓的“唐氏综合症唐氏综合症”。 2. 带型带型 染色体带：染色体带：当染色体被酶或其它化学试剂处当染色体被酶或其它化学试剂处理后，经过染色显示出的理后，经过染色显示出的深浅不同的带纹深浅不同的带纹或在荧

15、或在荧光显微镜下显示的光显微镜下显示的不同强度的荧光区段不同强度的荧光区段。 带型带型 (banding pattern)：不同的染色体具不同的染色体具有不同形态的带。有不同形态的带。 人类染色体人类染色体R带带型分析带带型分析人类染色体人类染色体G带带型分析带带型分析人类染色体人类染色体Q带带型分析带带型分析 带型带型不仅是鉴定和识别染色体的重不仅是鉴定和识别染色体的重要依据，而且为深入研究染色体的要依据，而且为深入研究染色体的异常及基因定位创造了条件。在植异常及基因定位创造了条件。在植物如小麦中，带型分析广泛应用于物如小麦中，带型分析广泛应用于识别和追踪外源染色体识别和追踪外源染色体。2.

16、3 染色体的结构染色体的结构1. 真核生物染色体的组成真核生物染色体的组成u 真核生物的真核生物的染色体是一个完整的染色体是一个完整的DNA双螺旋分子。双螺旋分子。u 染色体主要由约染色体主要由约1/3 DNA、1/3组蛋白组蛋白和和1/3非组蛋白非组蛋白所组所组成，还含有痕量的成，还含有痕量的RNA。u 组蛋白比较保守组蛋白比较保守，在染色质结构中起着重要的作用。，在染色质结构中起着重要的作用。 而而非组蛋白在不同有机体、不同组织间变化很大非组蛋白在不同有机体、不同组织间变化很大，可能与，可能与基因的调控有关。基因的调控有关。u 组蛋白共有组蛋白共有5类，即类，即H1，H2A，H2B，H3和

17、和H4。除。除H1 外，外，其余其余4种组蛋白组成一个复合体，称为核心组蛋白。种组蛋白组成一个复合体，称为核心组蛋白。 2. 真核生物染色体的结构真核生物染色体的结构 核小体核小体螺线管螺线管中期染色体中期染色体多级螺旋模型多级螺旋模型 真核生物染色体至少有真核生物染色体至少有3个层次的压缩个层次的压缩使使DNA包装成中期染色体。包装成中期染色体。第一层次第一层次:核小体核小体(nucleosome） DNA双螺旋环绕组蛋白八聚体形成双螺旋环绕组蛋白八聚体形成核小体核小体，为染色体，为染色体结构的结构的最基本单位最基本单位，直径约，直径约10nm。 核小体的核心：核小体的核心：组蛋白八聚体组蛋

18、白八聚体，包括，包括H2A，H2B，H3和和H4各两个分子。各两个分子。 环绕核小体的环绕核小体的DNA, 长约长约180-200bp 盘绕丝（盘绕丝（146bp）: 盘绕组蛋白八聚体表面盘绕组蛋白八聚体表面1.75圈圈 连接丝（连接丝（34-54bp）: 连接相邻连接相邻2个核小体个核小体 一个分子的组蛋白一个分子的组蛋白H1 第二层次第二层次: 螺线管螺线管 10nm的核小体纤丝通过折的核小体纤丝通过折叠或螺旋化形成中空的直径约叠或螺旋化形成中空的直径约30nm的的螺线管（螺线管（solenoid）。组蛋白组蛋白H1参与这一层次的压缩，参与这一层次的压缩，它结合于核小体与连接丝连接它结合于

19、核小体与连接丝连接的部位。的部位。 第三层次第三层次: 中期染色体中期染色体 染色体非组蛋白形成一个染色体非组蛋白形成一个骨架（骨架（scaffold），30nm的螺线管围绕着骨架压缩成紧密包装的的螺线管围绕着骨架压缩成紧密包装的中期中期染色体染色体。至于如何压缩成中期染色体的机制还不十。至于如何压缩成中期染色体的机制还不十分清楚。分清楚。 多级螺旋模型多级螺旋模型30nm螺线管再次螺旋化螺线管再次螺旋化形成形成300nm超螺线管超螺线管放射环骨架模型放射环骨架模型螺线管形成一个螺线管形成一个60-100kb长的长的DNA环，每一个环环，每一个环又紧粘在非组蛋白的骨架上形又紧粘在非组蛋白的骨架

20、上形成成“小菊花小菊花”染色体染色体 不同学者提出了不同的模型来解释不同学者提出了不同的模型来解释 ：3 原核生物的染色体原核生物的染色体 原核生物的染色体通常为一个原核生物的染色体通常为一个环状的双螺旋环状的双螺旋DNA分子分子，通，通过超螺旋化紧密包装成类核体（过超螺旋化紧密包装成类核体（nucleoid body）的形式。）的形式。 在一些病毒如烟草花叶病毒中，其染色体是在一些病毒如烟草花叶病毒中，其染色体是RNA分子，为分子，为单链核酸单链核酸。 另一些病毒如另一些病毒如174，染色体为，染色体为单链的环状单链的环状DNA分子分子。 原核生物染色体同样原核生物染色体同样与蛋白质和与蛋白

21、质和RNA等其它分等其它分子结合，而不是裸露的。子结合，而不是裸露的。 E.coli染色体从环状染染色体从环状染色体色体DNA形成拓扑异构形成拓扑异构环，最终形成超螺旋环，最终形成超螺旋DNA，染色体大约压缩，染色体大约压缩了了1000倍倍 2.4 DNA和和RNA染色体染色体蛋白质蛋白质 约占约占66%核酸核酸其它：如拟脂和无机物质其它：如拟脂和无机物质 少量少量脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA） 约占约占27%核糖核酸（核糖核酸（RNA） 约占约占6%1. DNA是遗传物质的证据是遗传物质的证据 遗传物质的化学本质是什么？遗传物质的化学本质是什么？ 在在19世纪中期到世纪中期到20世纪初

22、，多数科学家们认为基因或染色世纪初，多数科学家们认为基因或染色体的活性成分应该是蛋白质而不是核酸。体的活性成分应该是蛋白质而不是核酸。 直到直到20世纪世纪40-50年代，在年代，在细菌细菌和和噬菌体噬菌体等微生物遗传学等微生物遗传学研究中的一系列经典实验，才为核酸是遗传物质提供了无可辩研究中的一系列经典实验，才为核酸是遗传物质提供了无可辩驳的证据。驳的证据。1. DNA是遗传物质的证据是遗传物质的证据 (1) 间接证据间接证据 DNA含量恒定性，性细胞的含量恒定性，性细胞的DNA=1/2体细胞；而细胞体细胞；而细胞 内的内的RNA和蛋白质量在不同细胞间变化很大和蛋白质量在不同细胞间变化很大

23、。 DNA代谢稳定性；细胞内蛋白质和代谢稳定性；细胞内蛋白质和RNA分子在迅分子在迅 速形成的同时，又不断分解。速形成的同时，又不断分解。 DNA含量随染色体倍数增加，也呈倍数性递增。含量随染色体倍数增加，也呈倍数性递增。 UV诱发突变最有效波长是诱发突变最有效波长是2600 Ao，与，与DNA 所吸收的所吸收的UV光谱是一致的。光谱是一致的。 A、Griffith(1928)发现了遗传转化现象，在此发现了遗传转化现象，在此基础上，基础上，Avery(1944)证明证明转化因子的本质转化因子的本质是是DNA，而不是蛋白质或其它因子。，而不是蛋白质或其它因子。1952年，年，Hershey-Ch

24、ase的噬菌体感染实验的的噬菌体感染实验的发表才使人们信服发表才使人们信服DNA是遗传物质。是遗传物质。 (2) 直接证据直接证据B、噬菌体感染实验（、噬菌体感染实验（Hershey，1952） 噬菌体是一种感染细菌的病毒，由噬菌体是一种感染细菌的病毒，由50%的蛋白质的蛋白质和和50%的的DNA组成。组成。 噬菌体感染细菌时，噬菌体感染细菌时，进入细进入细菌体内的是蛋白质还是菌体内的是蛋白质还是DNA呢？呢？也就是说产生子代噬菌体的遗传也就是说产生子代噬菌体的遗传物质是什么物质是什么?Hershey的实验：的实验： A、两组处理：、两组处理： 处理一、处理一、 35S标记标记T2 噬菌体的蛋

25、白质噬菌体的蛋白质; 处理二、用处理二、用32P标记标记T2 噬菌体的噬菌体的DNA； B、然后分别感染大肠杆菌、然后分别感染大肠杆菌 C、10min后用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳后用搅拌器甩掉附着于细胞外面的噬菌体外壳 D、离心分离、离心分离32P35S离心的结果，上清液中为噬菌体；沉淀中为细菌菌体离心的结果，上清液中为噬菌体；沉淀中为细菌菌体32P处理一处理一处理二处理二q 实验结果：实验结果：在处理一的感染实验中，在处理一的感染实验中，35S放射性主要存在于上放射性主要存在于上清液（噬菌体层）中，表明大部分的清液（噬菌体层）中，表明大部分的蛋白外壳脱蛋白外壳脱落下来并未进入细菌

26、细胞落下来并未进入细菌细胞；在处理二的感染实验中，在处理二的感染实验中，32P放射性主要存在于沉放射性主要存在于沉淀（细菌菌体层）中，表明淀（细菌菌体层）中，表明噬菌体感染后将带有噬菌体感染后将带有32P的的DNA注入到细菌体内注入到细菌体内。 这一实验结果证实了噬菌体浸染大肠杆菌的过程中，进入这一实验结果证实了噬菌体浸染大肠杆菌的过程中，进入细菌细胞内的物质是细菌细胞内的物质是DNA，是繁殖子代噬菌体的遗传物质。，是繁殖子代噬菌体的遗传物质。(1) DNA和和RNA的化学组成的化学组成 核酸是核苷酸的多聚体。每个核苷酸包括核酸是核苷酸的多聚体。每个核苷酸包括3部分：部分： 五碳糖（戊糖）、磷

27、酸基团和环状的含氮碱基五碳糖（戊糖）、磷酸基团和环状的含氮碱基。戊糖和碱基结合构成戊糖和碱基结合构成核苷核苷（nucleotide），再与），再与磷酸基团结合构成磷酸基团结合构成核苷酸核苷酸。然后通过相邻两个核苷。然后通过相邻两个核苷酸之间酸之间3和和5位的磷酸二酯键（位的磷酸二酯键（phosphodiester bond ）把核苷酸连接成长链。）把核苷酸连接成长链。2. DNA和和RNA的性质的性质 vDNA核苷酸和核苷酸和RNA核苷核苷酸的化学结构酸的化学结构在在DNA中，戊糖中，戊糖为为D-2-脱氧核糖脱氧核糖 在在RNA中，戊糖中，戊糖为为D-核糖核糖 核酸有两种：脱氧核糖核酸核酸有两

28、种：脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸和核糖核酸(RNA)。两。两种核酸的主要区别：种核酸的主要区别： 1、DNA所含戊糖为所含戊糖为D-2-脱氧核糖脱氧核糖，RNA含的是含的是D-核糖；核糖；2、DNA所含碱基为腺嘌呤所含碱基为腺嘌呤(A)、鸟嘌呤、鸟嘌呤(G) 、胞嘧啶、胞嘧啶(C) 和和胸腺嘧啶胸腺嘧啶(T)，RNA含有的碱基前三个与含有的碱基前三个与DNA完全相同，完全相同，只有最后一个胸腺嘧啶被只有最后一个胸腺嘧啶被尿嘧啶尿嘧啶(U)所代替；所代替；3、DNA通常是双链通常是双链，RNA主要为单链线性；主要为单链线性；4、DNA的分子链一般较长的分子链一般较长，RNA分子链较短。分子链

29、较短。腺嘌呤腺嘌呤A鸟嘌呤鸟嘌呤G胞嘧啶胞嘧啶C尿嘧啶尿嘧啶U胸腺嘧啶胸腺嘧啶T(2) DNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现 1950年年,查格夫法则（查格夫法则（Chargaffs rule）或当）或当量定律：量定律：发现在每一个物种中，腺嘌呤（发现在每一个物种中，腺嘌呤（A）的含量总是与胸腺嘧啶（的含量总是与胸腺嘧啶（T）的含量相等，即）的含量相等，即A=T；鸟嘌呤（；鸟嘌呤（G）的含量总是与胞嘧啶（）的含量总是与胞嘧啶（C）的含量相等，即的含量相等，即G=C。因此，嘌呤总含量与嘧。因此，嘌呤总含量与嘧啶总含量相等啶总含量相等A+G=T+C。当量定律的发现提示了当量定律的发现提示了A和和

30、T，G和和C互补配对互补配对的可能性的可能性。(2) DNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现 1952年，英国物理学家年，英国物理学家 Maurice Wilkins及其同事及其同事 Rosalind Franklin做做X光衍射分光衍射分析，获得清晰的析，获得清晰的DNA X光衍射照片。光衍射照片。图图2-14 Franklin 拍摄的拍摄的DNA X光衍射图光衍射图根据衍射实验的结果，他们对根据衍射实验的结果，他们对DNA的结构作出了以下的推测的结构作出了以下的推测： 首先首先DNA是一个螺旋结构；是一个螺旋结构；其次，其次，根据螺旋的直径判断根据螺旋的直径判断DNA不只是一个单链螺旋；不

31、只是一个单链螺旋；再次，再次，核苷酸亚单位像钱币一样堆叠起来，相邻亚单位之间核苷酸亚单位像钱币一样堆叠起来，相邻亚单位之间相距相距0.34nm，每一圈螺旋约含有，每一圈螺旋约含有10个核苷酸。个核苷酸。 (2) DNA双螺旋结构的发现双螺旋结构的发现 1953年，剑桥大学卡文迪什实年，剑桥大学卡文迪什实验室的美国学者验室的美国学者 Watson和英国和英国学者学者Crick提出了提出了DNA的双螺旋的双螺旋结构模型（结构模型（double-helix model of DNA structure）。）。(3) DNA的双螺旋结构模型的双螺旋结构模型 A、DNA分子是由两条反向分子是由两条反向平

32、行的多核苷酸链组成的右平行的多核苷酸链组成的右手双螺旋结构。一条链的磷手双螺旋结构。一条链的磷酸二酯键为酸二酯键为5到到3，另一条，另一条链是链是3到到5方向。方向。 DNA的双螺旋结构模型的的双螺旋结构模型的要点要点 ：B、戊糖戊糖-磷酸组成的骨磷酸组成的骨架位于外侧，互补的碱架位于外侧，互补的碱基成对地叠放在内侧，基成对地叠放在内侧，其中其中A与与T之间形成两个之间形成两个氢键（氢键（A=T），），G与与C之之间形成三个氢键间形成三个氢键（GC）。）。C、上下相邻碱基对之间上下相邻碱基对之间的垂直距离为的垂直距离为0.34nm，每个螺旋的垂直距离为每个螺旋的垂直距离为3.4nm，具有，具有

33、10个碱基对。个碱基对。 D、双螺旋表面上大沟和双螺旋表面上大沟和小沟交替出现。小沟交替出现。 DNA的双螺旋结构模式图的双螺旋结构模式图 Watson和和Crick的的DNA双螺旋模型双螺旋模型的提出，与达尔文的提出，与达尔文的进化论，及孟德尔的遗传定律一样，是遗传学发展史上的进化论，及孟德尔的遗传定律一样，是遗传学发展史上的一个重大转折点，开创了的一个重大转折点，开创了分子遗传学分子遗传学新纪元。新纪元。1962年，年， Watson和和Crick分享了当年的诺贝尔医学和生理学奖。分享了当年的诺贝尔医学和生理学奖。(4) 双螺旋结构的其它变异形式双螺旋结构的其它变异形式 Watson和和C

34、rick所描述的双螺旋所描述的双螺旋DNA是一定生理条件下是一定生理条件下（低盐的水溶液中）存在的一种形式，被称之为（低盐的水溶液中）存在的一种形式，被称之为B-DNA。在。在某些条件下，某些条件下，DNA分子也会有其它存在形式，现在已知的有分子也会有其它存在形式，现在已知的有A、B、C、D、E、T、Z等七种。等七种。高盐状态高盐状态生理状态生理状态富含富含G-C体内存在体内存在DNA-RNA杂交双链时杂交双链时 2.5 DNA复制复制 1. DNA复制的一般特性复制的一般特性 推测的推测的DNA复制模型复制模型DNA的半保留复的半保留复制制：一个：一个DNA分分子经过复制形成子经过复制形成两

35、个完全相同的两个完全相同的子代子代DNA分子，分子，子代子代DNA分子中分子中都保留了亲代都保留了亲代DNA双链中的一双链中的一条，故称这种方条，故称这种方式为半保留复制。式为半保留复制。DNA复制模型检测复制模型检测 1958年，年，Meselson和和 Stahl首次用实验证明了首次用实验证明了DNA的半保留复制方式的半保留复制方式2. 原核生物原核生物DNA的复制机理的复制机理 DNA的半保留复制的半保留复制是以是以4种三磷酸脱氧核种三磷酸脱氧核糖核苷糖核苷（dATP、dGTP、dCTP和和dTTP，合称为，合称为dNTP)为底物，以为底物，以DNA为模板，为模板，RNA为引物，为引物，

36、并在多种酶的催化以及蛋白质因子的参与下完并在多种酶的催化以及蛋白质因子的参与下完成的。成的。(1) DNA复制的酶系统复制的酶系统 DNA聚合酶聚合酶(DNA polymerase): 有有3种，分种，分别称为别称为DNA聚合酶聚合酶、和和，其中，其中DNA聚合酶聚合酶是是DNA复制中起主要作用的酶。共同特点是复制中起主要作用的酶。共同特点是: 均有均有5-3聚合酶功能，没有聚合酶功能，没有3-5聚合酶功能聚合酶功能 （DNA的延伸只能从的延伸只能从5向向3端进行）端进行）需要有模板和引物，不能直接起始合成新的需要有模板和引物，不能直接起始合成新的DNA链；链；(合成合成DNA必须有引物引导）

37、必须有引物引导） 均有核酸外切酶的功能，可校正合成中的错误均有核酸外切酶的功能，可校正合成中的错误 （保证（保证DNA复制的高度准确性）复制的高度准确性） DNA连接酶（连接酶（DNA ligase）: DNA连接酶能够在模板存连接酶能够在模板存在的情况下，将在的情况下，将DNA缺口处缺口处相邻的相邻的3 -OH和和5 -PO4连接连接起来形成起来形成磷酸二酯键磷酸二酯键，即催，即催化化DNA分子上缺口的共价闭分子上缺口的共价闭合合(closure)。 在在DNA复制过程中，复制过程中，DNA连连接酶接酶在后滞链的合成、在后滞链的合成、DNA损伤损伤的修复以及的修复以及DNA重组中重组中均均起

38、着重起着重要作用。要作用。(2) DNA的复制过程的复制过程 原核生物原核生物DNA的复制是从特定位点开始，单向的复制是从特定位点开始，单向或双向进行的，但以或双向进行的，但以双向复制双向复制为主。双螺旋为主。双螺旋DNA边边解链边合成新链。解链边合成新链。复制过程主要包括复制过程主要包括起始起始、延伸延伸、和、和终止终止3个阶段。个阶段。涉及双链的解开、涉及双链的解开、RNA引物的合成、引物的合成、DNA链的延长、链的延长、RNA引物切除、相邻引物切除、相邻DNA片段的连接等主要活动。片段的连接等主要活动。E coli的复制起始点的复制起始点oriC的结构的结构 DNA复制是从复制是从DNA

39、分子的特定部位开始的，此特定分子的特定部位开始的，此特定部位称为部位称为复制起始点复制起始点（origin of replication），用），用ori表表示。示。如大肠杆菌的复制起始点长如大肠杆菌的复制起始点长245bp，其两侧结构为：，其两侧结构为：左侧有左侧有3个个13bp的重的重复序列，富含复序列，富含A-T右侧有右侧有4个个9 bp的重复序列的重复序列是是DnaA蛋白（蛋白（DnaA基因基因的产物）的结合位点。的产物）的结合位点。 大部分的原核生物（细菌、病毒）和质粒只有一个复大部分的原核生物（细菌、病毒）和质粒只有一个复制起始点（制起始点（ori），它控制着整个染色体的复制。，它

40、控制着整个染色体的复制。这种这种由同一个复制起始点控制下合成的一段由同一个复制起始点控制下合成的一段DNA序列就序列就称为一个称为一个复制子（复制子（replicon）。）。 后滞链前导链复制叉移动方向 SSB蛋白解旋酶环状环状DNA复制时，首先必须使双螺旋在起始区打开，并复制时，首先必须使双螺旋在起始区打开，并逐渐扩大。打开的每一端形成一个逐渐扩大。打开的每一端形成一个Y形的区域，称之为形的区域，称之为一个复制叉一个复制叉（replication fork） DNA复制叉复制叉 DNA双螺旋的解链：双螺旋的解链： DNA解旋酶解旋酶 单链单链DNA结合蛋白（简称结合蛋白（简称SSB蛋白）蛋白

41、） DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 ATPDNA复制的起始：复制的起始：引物酶引物酶DNA聚合酶聚合酶引物酶以引物酶以DNA为模为模板，在板，在DNA链的特链的特定位点直接合成一定位点直接合成一短的短的RNA引物，为引物，为DNA pol开始开始DNA合成提供合成提供3 -OH。此时。此时DNA的的复制开始。复制开始。 当当RNA引物合成之后，在引物合成之后，在DNA pol 的催化下，以的催化下，以4种三种三磷酸脱氧核糖核苷（磷酸脱氧核糖核苷（dATP、dGTP、dCTP和和dTTP，合称，合称为为dNTP)为底物，以两条亲代为底物，以两条亲代DNA链为模板，在链为模板，在 RNA引引物物3 -

42、OH端按端按碱基互补配对碱基互补配对的原则进行复制。的原则进行复制。 半不连续复制（半不连续复制（semidiscontinuous replication）：）：在在DNA复制过程中，一条链（前导链）连续合成，另复制过程中，一条链（前导链）连续合成，另一条链（后滞链）不连续合成的方式称为半不连续复制一条链（后滞链）不连续合成的方式称为半不连续复制。 DNA复制的延伸：复制的延伸：在解开的两条单链中，以在解开的两条单链中，以35方向的链为模板，从方向的链为模板，从53方方向连续合成的新链为向连续合成的新链为前导链前导链（leading strand）；而以）；而以5 3链为模板合成的链称为链为

43、模板合成的链称为后滞链后滞链（lagging strand），该），该链也是从链也是从53方向合成，首先合成不连续的小片段（方向合成，首先合成不连续的小片段（冈崎冈崎片段片段），最后由），最后由DNA连接酶连接起来。连接酶连接起来。 复制叉前进方向复制叉前进方向后后滞链合成中，后滞链模板滞链合成中，后滞链模板链在链在DNA pol全酶上形成全酶上形成一个一个回环，使回环，使RNA引物和冈引物和冈崎片段的合成方向与前导链崎片段的合成方向与前导链一致，使得双链在同一复制一致，使得双链在同一复制体上进行复制。这一模型称体上进行复制。这一模型称为为回环模型回环模型。由解旋酶、引发酶由解旋酶、引发酶(引

44、物酶引物酶)和和DNA pol 全酶构成的复全酶构成的复合体称为合体称为复制体复制体(replisome)。 DNA复制的终止：复制的终止： 对于对于E.coli这类环状染色体来说，两个复制叉反向而行，这类环状染色体来说，两个复制叉反向而行，穿越相遇点并到达各自特定的终止位点。穿越相遇点并到达各自特定的终止位点。 环状环状DNA复制完成后，有复制完成后，有拓扑异构酶拓扑异构酶II切开双链切开双链DNA，将两个将两个DNA分子分开成为两个完整的与亲代分子分开成为两个完整的与亲代DNA分子相同分子相同的子代的子代DNA。 3.真核生物真核生物DNA复制的特点复制的特点 真核生物的真核生物的DNA复

45、制过程也包括起始、链延伸和终止等复制过程也包括起始、链延伸和终止等步骤，但比原核生物更为复杂，主要表现在步骤，但比原核生物更为复杂，主要表现在3个方面：个方面： (1) 真核生物具有真核生物具有5种种DNA聚合酶聚合酶: 即即pol、和和。其中。其中 pol和和 的作用是复制染色体的作用是复制染色体DNA，pol控制控制前导链的合成，还具有前导链的合成，还具有35外切酶活性；外切酶活性；pol催化后滞链催化后滞链的合成。的合成。pol 是从线粒体中分离得到的，可能与线粒是从线粒体中分离得到的，可能与线粒DNA的复制有关。的复制有关。(2) 真核生物每一条染色体都含有多个复制起点真核生物每一条染

46、色体都含有多个复制起点 和多个复制子和多个复制子箭头所示为多个复制点箭头所示为多个复制点在不同的组织细胞中，复制起在不同的组织细胞中，复制起点的数目和复制子的大小会随点的数目和复制子的大小会随着细胞特点的变化而变化，如着细胞特点的变化而变化，如对于快速分裂的胚胎来说，发对于快速分裂的胚胎来说，发育早期比发育后期具有更多的育早期比发育后期具有更多的复制起点复制起点 。 (3) RNA引物和冈崎片段引物和冈崎片段原核生物中原核生物中RNA引物长约引物长约10-60个核苷酸，个核苷酸，冈崎片段长度为冈崎片段长度为1-2kb；真核生物真核生物RNA引物引物约约10个核苷酸长，冈崎片段长度为个核苷酸长，

47、冈崎片段长度为100-200bp。2.6 染色体在细胞分裂中的行为染色体在细胞分裂中的行为细胞的分裂方式细胞的分裂方式包括无丝分裂（包括无丝分裂（amitosis）、有丝）、有丝分裂分裂(mitosis)和减数分裂（和减数分裂（meiosis）。）。无丝分裂无丝分裂无纺锤体（无纺锤体（spindle）形成，主要发生在）形成，主要发生在原生生物、纤毛虫及一些特化的动植物组织中。原生生物、纤毛虫及一些特化的动植物组织中。有丝分裂有丝分裂即体细胞分裂，通过分裂产生具有同样染即体细胞分裂，通过分裂产生具有同样染色体数目的子细胞，在分裂中出现纺锤体。色体数目的子细胞，在分裂中出现纺锤体。减数分裂减数分裂

48、是真核生物在形成配子过程中发生的一种是真核生物在形成配子过程中发生的一种特殊的分裂方式。特殊的分裂方式。细胞周期细胞周期是指个体细胞的生命周期，也称是指个体细胞的生命周期，也称细胞分裂周期细胞分裂周期。它是指一个细胞经生长、。它是指一个细胞经生长、分裂而增殖成两个细胞所经历的全过程。分裂而增殖成两个细胞所经历的全过程。 u细胞周期细胞周期(cell cycle)间期：间期：细胞分裂期细胞分裂期G1期：期：第一个间隙，主要进行第一个间隙，主要进行RNA、蛋白质和酶合成，细胞体、蛋白质和酶合成，细胞体积增加，并为积增加，并为DNA 合成作准备。合成作准备。S 期：期：DNA 复制时期，染色复制时期

49、，染色体数目在此期加倍。体数目在此期加倍。G2期：期：DNA复制后至细胞分复制后至细胞分裂开始之前的间隙，进行必要的检裂开始之前的间隙，进行必要的检查及修复，以保证查及修复，以保证DNA 复制的准复制的准确性，为细胞分裂作准备。确性，为细胞分裂作准备。M期：期：细胞分裂期。细胞分裂期。1. 无丝分裂（也称为直接分裂）无丝分裂（也称为直接分裂）无丝分裂（无丝分裂（amitosis）是指通过细胞核拉长（呈哑铃状），中是指通过细胞核拉长（呈哑铃状），中部缢裂成两部分，接着胞质分裂形成部缢裂成两部分，接着胞质分裂形成2个相似的子细胞的过程个相似的子细胞的过程（无纺锤丝形成）。（无纺锤丝形成）。在鸡胚血

50、球细胞、在小麦、水稻等作物发育的胚乳中，有大在鸡胚血球细胞、在小麦、水稻等作物发育的胚乳中，有大量无丝分裂的细胞存在。量无丝分裂的细胞存在。变形虫的无丝分裂变形虫的无丝分裂1）间期）间期细胞连续两次分裂之间的一段时间，细胞连续两次分裂之间的一段时间，称为间期称为间期。主要是进行。主要是进行DNA复制和复制和组蛋白的合成以及细胞生长组蛋白的合成以及细胞生长，为分，为分裂作准备。裂作准备。2. 有丝分裂有丝分裂 2）细胞分裂期）细胞分裂期分为：分为：前期前期（prophase）、）、中期中期（metaphase） 、后期后期（anaphase）和）和末期末期（telophase）四个时期。）四个时

51、期。 q 前期（前期（prophase）染色体出现。染色体出现。核膜和核仁核膜和核仁逐渐解体。动物细胞出现逐渐解体。动物细胞出现中心体和星射线中心体和星射线，逐渐形，逐渐形成丝状的成丝状的纺锤丝纺锤丝。植物细。植物细胞在两极出现胞在两极出现纺锤丝纺锤丝。q 中期（中期（metaphase） 核仁和核膜均消失核仁和核膜均消失了，细了，细胞中部胞中部形成纺锤体形成纺锤体，染色体的染色体的着丝点均排列在纺锤体中央的着丝点均排列在纺锤体中央的赤道面赤道面上。上。 染色体高度螺旋化，最短染色体高度螺旋化，最短而且最粗。中期的结束以着而且最粗。中期的结束以着丝粒的分裂为标志。丝粒的分裂为标志。q 后期（后

52、期（anaphase） 每个染色体的着丝点分每个染色体的着丝点分裂为二，这时各条染色单裂为二，这时各条染色单体已各成为一个染色体。体已各成为一个染色体。随着纺锤丝牵引每个染色随着纺锤丝牵引每个染色体分别向两极移动。体分别向两极移动。q 末期（末期（telophase） 染色体已全部移向两极，染色体已全部移向两极，核仁和核膜重新形成。核仁和核膜重新形成。同时同时细胞质分裂，细胞质分裂，植物在纺锤体植物在纺锤体的的赤道板区域形成细胞板赤道板区域形成细胞板，不久形成新的细胞壁，分裂不久形成新的细胞壁，分裂为为两个子细胞两个子细胞。动物细胞在。动物细胞在赤道板位置通过胞质缢缩形赤道板位置通过胞质缢缩形

53、成两个子细胞。成两个子细胞。 3) 有丝分裂要注意的问题有丝分裂要注意的问题 DNA复制是在复制是在间期间期进行。进行。 间期为染色质，分裂期是染色体间期为染色质，分裂期是染色体。 前期（含中期）染色体是由两条染色单体组成的。前期（含中期）染色体是由两条染色单体组成的。 中期着丝粒排列中央赤道板上。中期着丝粒排列中央赤道板上。 后期是染色单体分开。后期是染色单体分开。 从后期至末期染色体是单条的。从后期至末期染色体是单条的。 两个子细胞的染色体数目与结构和母体的一样。两个子细胞的染色体数目与结构和母体的一样。4）有丝分裂的意义）有丝分裂的意义 生物学意义生物学意义：有丝分裂有丝分裂促进细胞数目

54、和体积增促进细胞数目和体积增加，加，维持多细胞生物个体的正常生长和发育。维持多细胞生物个体的正常生长和发育。 遗传学意义遗传学意义：核内各染色体核内各染色体准确复制分裂为二准确复制分裂为二，为形成两个子细胞与母细胞在遗传上完全一样为形成两个子细胞与母细胞在遗传上完全一样奠定了基础奠定了基础；而复制的各对染色体而复制的各对染色体有规则而均有规则而均匀地分配匀地分配到两个子细胞中，使子、母细胞具有到两个子细胞中，使子、母细胞具有同样质量和数量的染色体同样质量和数量的染色体。 从而从而保证了物种的保证了物种的连续性和稳定性。连续性和稳定性。 3. 减数分裂减数分裂 1）概念）概念: 减数分裂（减数分

55、裂（meiosis）是指在真核生物性细胞是指在真核生物性细胞形成过程中，染色体只复制一次而细胞连续进形成过程中，染色体只复制一次而细胞连续进行两次分裂使细胞的染色体数目减半的过程。行两次分裂使细胞的染色体数目减半的过程。 2）减数分裂过程的主要阶段及特征）减数分裂过程的主要阶段及特征前期前期I：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期减数分裂减数分裂减数分裂减数分裂I减数分裂减数分裂II中期中期I后期后期I末期末期I 前期前期II中期中期II后期后期II末期末期II u前期前期I细胞核体积大大增加，重要事件为同源染色体配对细胞核体积大大增加，重要事件为同源染

56、色体配对和遗传重组。和遗传重组。可将其划分为可将其划分为5个亚期：细线期、偶线个亚期：细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期。期、粗线期、双线期和终变期。细线期细线期 Leptotene (thin-thread stage): 染色体已复制，染色体已复制，呈细长的线状结构，呈细长的线状结构，每条细线都含有每条细线都含有2个个姊妹染色单体。随机姊妹染色单体。随机分布在核中。分布在核中。偶线期偶线期(zygotene)主要的变化是主要的变化是同源染色体配对同源染色体配对，也称为，也称为联会联会(synapsis)。通常是从靠近核膜的一端开始或在染色。通常是从靠近核膜的一端开始或在染色体的全长的若

57、干位点上同时进行，如同拉体的全长的若干位点上同时进行，如同拉“拉链拉链”，进而形成进而形成联会复合体联会复合体(synaptonemal complex)。 粗线期粗线期Pachytene (thick-thread stage)u 染色体明显缩短变粗，可进行粗线期核型分析。染色体明显缩短变粗，可进行粗线期核型分析。u 同源染色体之间联会配对完成，形成同源染色体之间联会配对完成，形成n个二价体。个二价体。u 在二价体中一个染色体的两条染色单体，互称为在二价体中一个染色体的两条染色单体，互称为。而不同染色体的染色单体，互称为。而不同染色体的染色单体，互称为。u 非姊妹染色单体间发生非姊妹染色单体

58、间发生。双线期双线期(diplotene)在光学显微镜下可以看到联会着的在光学显微镜下可以看到联会着的2个染色体都分别由个染色体都分别由2条染条染色单体组成。色单体组成。染色体继续缩短变粗，同源染色体开始分开，染色体继续缩短变粗，同源染色体开始分开，但但处仍相连处仍相连, 这种交叉现象是非姊妹染色单这种交叉现象是非姊妹染色单体之间某些片段在粗线期发生相互交换的结果。体之间某些片段在粗线期发生相互交换的结果。终变期（终变期（diakinesis）染色体纵向收缩，染色体纵向收缩，高度浓缩变粗高度浓缩变粗。终变期末核仁消失，。终变期末核仁消失，核膜破裂。此时每个二价体分散在整个核内，可以一核膜破裂。

59、此时每个二价体分散在整个核内，可以一一区分开来，是一区分开来，是鉴定染色体数目的最好时期鉴定染色体数目的最好时期。交叉结末端移动并逐渐减少，交叉结末端移动并逐渐减少，形成环形（形成环形（ring）或棒形）或棒形（rod） 二价体等，被称为二价体等，被称为交叉端化交叉端化（chiasma terminalization）现象。）现象。 核仁和核膜消失，核仁和核膜消失，纺锤体形成。纺锤丝与各纺锤体形成。纺锤丝与各染色体的着丝粒连接。染色体的着丝粒连接。同源染色体并排列在赤道同源染色体并排列在赤道板上板上。u 中期中期减数分裂中期减数分裂中期I着丝点分散在赤道板的两侧，着丝点分散在赤道板的两侧，二价

60、体末端交叉排列于赤道板上。二价体末端交叉排列于赤道板上。有丝分裂中期有丝分裂中期着丝点整齐地排列在赤道板上着丝点整齐地排列在赤道板上 由于附着在同源染色体着丝点上的纺锤丝的牵引，由于附着在同源染色体着丝点上的纺锤丝的牵引，同同源染色体彼此向两极方向分开，源染色体彼此向两极方向分开，即同源染色体中的二条染即同源染色体中的二条染色体分别移向两极，使两极分别得到一半染色体，实现了色体分别移向两极，使两极分别得到一半染色体，实现了2n数目的减半（数目的减半（n）。这时。这时每个染色体还是包含两条染色每个染色体还是包含两条染色单体，单体，它们的着丝点并没有分裂。它们的着丝点并没有分裂。u 后期后期 染色